计算机控制及网络技术

1.本书从实际应用的角度，较系统地介绍了计算机控制系统的基本知识及分析设计方法，在内容安排上，注重基础性、系统性和实用性，同时考虑计算机控制网络技术的飞速发展和应用，书中对网络化的计算机控制技术的相关知识进行了介绍。

2.本书在借鉴国内外一些优秀教材的基础上，结合编者在该领域多年的教学经验和科研成果，在内容安排上，在考虑系统性的同时，注重基本理论和基本方法的介绍，易于阅读和自学。

3.由于计算机控制网络技术的飞速发展和应用，书中对网络化的计算机控制系统的相关知识进行了简单介绍。为了便于教学，书中安排了大量例题，每个例题都附有MATLAB的程序和计算结果。

计算机控制是自动控制技术与计算机技术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断以及网络连接等信息处理能力，计算机控制系统可以实现比常规控制系统更复杂、更强大的控制功能。计算机技术在控制领域中的应用，有力地推动了自动控制技术的发展，扩展了自动控制技术在国民经济和国防建设中的应用范围，特别是使复杂的、大规模的自动化系统发展到了一个新阶段。

20世纪80年代以来，国内高校自动控制系高年级本科生陆续开设了计算机控制的课程，并先后出版了一批各具特色的计算机控制方面的教材，这些教材在计算机控制技术的教学和工程应用中发挥了重要作用。本书在借鉴国内外一些优秀教材的基础上，结合编者在该领域多年的教学经验和科研成果，在内容安排上，在考虑系统性的同时，注重基本理论和基本方法的介绍，易于阅读和自学。另外，由于计算机控制网络技术的飞速发展和应用，书中对网络化的计算机控制系统的相关知识进行了简单介绍。为了便于教学，书中安排了大量例题，每个例题都附有MATLAB的程序和计算结果。

全书共分十章。第1章概述了计算机控制系统的特点、组成分类，介绍了现场总线控制网络技术的发展和应用情况，分析计算机控制理论的发展历程和发展趋势。第2章和第3章讲述计算机控制系统的硬件和数学基础方面的知识，过程I/O、信号采样过程及其数学描述、采样定理及采样频率的选择、信号的恢复和保持器以及数字滤波的相关知识。第4章讲述计算机控制系统的稳定性和稳态分析。第5章着重阐述各种离散化方法、PID数字控制器的改进以及PID控制器的参数整定方法。第6章介绍了几种常见的离散化设计方法，包括最少拍设计、根轨迹设计以及针对具有纯滞后特性对象的大林算法、史密斯预估算法等。第7章简述计算机控制系统的状态空间特性及设计方法。第8章简要介绍总线式工业控制计算机、PLC、PC104、可编程调节器、DCS的特点和基本结构，为今后进一步应用打下基础。第9章以CAN总线为对象，介绍了CAN的通信协议、CAN控制器和驱动器的原理及应用，最后给出了基于单片机的CAN智能节点的硬件结构和程序。第10章介绍计算机控制系统的设计原则、设计与实现方法和抗干扰措施等，给出几个传统计算机控制系统的应用实例。

本书可用高等院校电子信息类、电气工程类、机械电子类、仪器仪表类及相关专业本科生的教材和教师参考书，也可作为相关领域的工程技术人员的参考书。本书内容可按54学时进行教学安排，如果课时数只有36学时，可以重点讲授前6章、第8章和第10章。

本书的第2、3章和第8章的部分由李迅副教授编写，第4、6章由刘建斌副教授编写，其余章节和全书统稿由龙志强教授完成。邹逢兴教授仔细审阅修改了全书，并提出许多宝贵建设性意见，李云钢副教授参加了第7章前期编写，陈慧星博士、张志洲博士、李壮博士和李小龙博士为整理、打印书稿付出了辛勤劳动，本书在编写过程学习和汲取了部分国内外有关教材的内容，在此一并致谢。

由于编者知识水平有限，书中难免有不妥或错误之处，诚请读者批评指正。

编者

2007年1月

总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 2
1.1.1 计算机控制系统的概念 2
1.1.2 计算机控制系统的特点 2
1.2 计算机控制系统的组成 3
1.2.1 硬件系统组成 3
1.2.2 软件系统组成 4
1.3 计算机控制系统的类型 5
1.3.1 按功能及结构分类 5
1.3.2 按控制规律分类 9
1.4 控制网络与网络化控制系统 10
1.4.1 控制网络与现场总线 10
1.4.2 网络化控制系统 11
1.4.3 网络控制系统的技术特点 12
1.5 计算机控制技术的发展历程及趋势 13
1.5.1 计算机控制技术的发展历程 13
1.5.2 计算机控制技术的发展趋势 14
思考题与习题 14
第2章 计算机控制系统的硬件基础 17
2.1 过程通道技术 18
2.1.1 模拟量输入输出通道 18
2.1.2 数字量输入输出通道 22
2.2 采样过程及其数学描述 23
2.2.1 采样过程概述 23
2.2.2 信号采样 24
2.2.3 采样过程的数学描述 24
2.3 采样定理及采样频率的选择 27
2.3.1 采样定理 27
2.3.2 采样周期T的选定 27
2.4 信号的恢复及保持器 29
2.4.1 信号的恢复 29
2.4.2 零阶保持器 29
2.4.3 一阶保持器 31
2.5 数字滤波 32
2.5.1 死区处理方法 33
2.5.2 算术平均滤波方法 33
2.5.3 中值滤波方法 33
2.5.4 一阶低通滤波方法 33
思考题与习题 34
第3章 计算机控制系统的数学基础 35
3.1 Z变换的定义 36
3.2 Z变换的性质 37
3.3 Z反变换 43
3.3.1 长除法 43
3.3.2 部分分式展开法 44
3.3.3 留数计算法 45
3.4 离散系统的差分方程及其求解 47
3.5 Z传递函数 48
3.5.1 开环传递函数 49
3.5.2 闭环传递函数 50
思考题与习题 53
第4章 计算机控制系统分析 55
4.1 计算机控制系统的稳定性分析 56
4.1.1 线性离散控制系统的稳定性条件 56
4.1.2 线性离散系统的稳定性判据 58
4.2 计算机控制系统的动态过程 64
4.2.1 计算机控制系统的动态响应过程 64
4.2.2 含有滞后环节的计算机控制系统的输出响应 68
4.3 计算机控制系统的稳态误差 69
4.3.1 计算机控制系统的稳态误差分析 69
4.3.2 计算机控制系统对干扰输入信号的响应 71
4.4 离散系统根轨迹 73
思考题与习题 76
第5章 计算机控制系统的间接设计法 79
5.1 离散与连续等效设计的基本步骤 80
5.2 离散与连续等效设计方法 80
5.2.1 连续系统离散化方法 81
5.2.2 离散与连续等效的设计举例 90
5.3 数字PID控制器设计 92
5.3.1 PID控制原理 92
5.3.2 数字PID控制算法 92
5.4 改进的数字PID控制算法 94
5.4.1 积分分离PID控制算法 94
5.4.2 遇限削弱积分PID控制算法 95
5.4.3 不完全微分PID控制算法 95
5.4.4 微分先行PID控制算法 97
5.4.5 带死区的PID控制算法 97
5.5 数字PID控制器的参数整定 97
5.5.1 PID控制器参数对系统性能的影响分析 98
5.5.2 试凑法确定PID控制器参数 98
5.5.3 工程整定法确定PID控制器参数 99
思考题与习题 101
第6章 计算机控制系统的直接设计法 103
6.1 最少拍控制系统设计 104
6.1.1 被控对象稳定且不包含纯滞后环节的最少拍控制器设计 104
6.1.2 一般被控对象的最少拍控制器设计 106
6.1.3 最少拍无纹波控制器设计 110
6.2 数字控制器的根轨迹设计法 112
6.2.1 离散系统的根轨迹 112
6.2.2 离散系统根轨迹设计 113
6.3 纯滞后系统对象的控制算法——大林（Dahlin）算法 116
6.4 史密斯（Smith）预估器 121
思考题与习题 123
第7章 计算机控制系统的状态空间设计 125
7.1 离散系统状态空间描述 126
7.1.1 差分方程化为状态空间描述 126
7.1.2 脉冲传递函数化为状态空间描述 127
7.1.3 离散系统状态方程求解 128
7.1.4 连续系统的离散化 131
7.2 离散系统的能控性和能观性 133
7.2.1 离散系统的能控性 133
7.2.2 离散系统的能观性 134
7.2.3 离散系统能控能观性与采样周期的关系 135
7.3 离散系统的状态反馈控制器设计 135
7.3.1 状态反馈控制 136
7.3.2 单输入离散系统的极点配置 136
7.4 离散系统的状态观测器设计 138
7.4.1 系统状态的开环估计 138
7.4.2 全维状态观测器设计 139
7.4.3 降维状态观测器设计 142
7.5 带状态观测器的离散系统调节器设计 143
思考题与习题 145
第8章 典型计算机控制系统的结构与组成 147
8.1 总线式工业控制计算机 148
8.1.1 工业控制计算机概述 148
8.1.2 工业PC机的特点与结构 149
8.1.3 CompactPCI机的特点与结构 150
8.2 基于可编程控制器（PLC）的计算机控制系统 151
8.2.1 PLC概述 151
8.2.2 PLC硬件组成及功能 152
8.2.3 PLC控制系统设计 153
8.3 基于嵌入式PC/104总线的计算机控制系统 155
8.4 基于单片机的计算机控制系统 155
8.4.1 单片机的应用系统设计概述 155
8.4.2 单片机在单回路数字调节器中的应用 156
8.5 集散控制系统 157
8.5.1 DCS概述 157
8.5.2 DCS的组成与结构 158
思考题与习题 159
第9章 控制器局域网（CAN）通信技术 161
9.1 概述 162
9.1.1 CAN通信的技术特点 162
9.1.2 CAN通信的技术优点 163
9.2 CAN通信技术协议 163
9.2.1 CAN的通信参考模型 164
9.2.2 CAN报文的传送和帧结构 164
9.2.3 CAN报文的编码、滤波和校验 170
9.2.4 CAN错误类型和界定 170
9.2.5 CAN的位定时与同步技术 171
9.3 CAN总线控制器SJA1000 173
9.3.1 SJA1000概述 173
9.3.2 SJA1000的基本模式（BasicCAN） 175
9.3.3 基本模式下的控制寄存器 176
9.3.4 基本模式下的数据段寄存器 178
9.3.5 两种模式下的公共寄存器及其说明 179
9.3.6 SJA1000的扩展模式 183
9.4 CAN总线驱动器PCA82C250 183
9.4.1 PCA82C250概述 183
9.4.2 PCA82C250的典型应用 185
9.5 基于8051单片机的CAN智能节点设计 187
9.5.1 硬件设计 187
9.5.2 软件设计 188
思考题与习题 189
第10章 计算机控制系统的设计与应用 191
10.1 计算机控制系统的设计原则 192
10.2 计算机控制系统的设计与实现 193
10.2.1 计算机控制系统的方案设计 193
10.2.2 硬件系统的设计与实现 194
10.2.3 软件系统的设计与实现 195
10.2.4 控制系统的调试与运行 195
10.3 计算机控制系统中的抗干扰措施 197
10.3.1 控制系统的抗干扰措施 197
10.3.2 软件设计的可靠措施 198
10.4 计算机控制系统设计举例 198
10.4.1 水流量标准装置微机监控系统 198
10.4.2 油库罐区二级微机监控管理系统实现 201
思考题与习题 204
参考文献 205

1. 单片机应用系统设计安装与调试 [主编 田浩鹏]
2. 计算机控制技术 [刘福荣 主 编 ]
3. 计算机控制技术 [主 编 刘福荣]
4. 自动控制原理实践教程 [彭学锋 等编著]
5. 计算机控制与仿真技术 [杨立 主编]
6. 计算机控制与仿真技术（第二版） [杨立 主编]